嵌入式系统可逆调试器的设计与实现

发布时间：2020-04-30 03:34

【摘要】：随着嵌入式系统复杂程度的不断提高,调试越来越被嵌入式系统开发人员所重视。对于诸如嵌入式操作系统和并发程序等具有不确定性的程序,传统的循环调试是不够的。可逆调试可以很好的解决由于程序的不确定性所带来的很多问题。基于记录与重放的逆向执行技术可以使得程序员通过记录下来的程序执行轨迹回滚到程序的任意点,并重演这一执行过程。这样程序员就可以快速的定位错误的根源,避免了反复重启调试会话的麻烦,同时还可以准确的重放错误的场景。 基于开源的模拟器QEMU和通用调试器GDB,本文设计实现了可逆调试器PORD。PORD为嵌入式系统提供了一个高效的交叉可逆调试工具。它可以在通用的X86宿主架构上调试目标架构为ARM,SPARC,PPC或者MIPS的嵌入式系统。程序的执行状态主要包括寄存器状态和内存状态。对于寄存器状态的保存,PORD针对不同的目标架构采用不同的保存方法。而对于内存状态的保存,PORD对于不同的目标架构采用了统一的记录方法。为了减少记录执行轨迹所需要的时间与空间开销,检查点可以采用不同的记录粒度。同时PORD为X86目标架构实现了一个接近于本地执行速度的高效可逆调试器。 PORD主要有两部分组成。一个是通过修改QEMU而实现记录与重放功能的虚拟机。另一部分是RGDB。RGDB通过在通用调试器GDB中扩充逆向执行命令而实现。RGDB解析用户命令,并且构建发送调试命令数据包到GDB调试桩。存在于虚拟机端的GDB调试桩解析收到的数据包,之后控制虚拟机执行相应的调试命令。 实验表明可逆调试器PORD能够快速高效的重演程序的历史状态。对于调试而言,PORD记录日志的时间与空间开销是可以接受的。
【图文】：

嵌入式系统可逆调试器的设计与实现盘上的目标二进制可执行文件首先被加载器加载到QEMU的地址空间，识别出代码段，数据段等，并找到代码段的入口地址。之后由解码器从代码段的入口地址依次解码。QEMU可以加载解析Limix下的ELF，windOSX系统下的MACH一O等文件格式。ows下的PE一COFF和Mae

拷贝宿主代码时，去除函数头部和末尾的返回指令ret，从而得到微操作函数中真正有意义的实际代码。大大减少了函数调用的开销。否则，一条目标指令对应若干条微操作，而每一个微操作又是一个函数调用，这样得到的宿主代码会急速膨胀，执行效率当然也会很低。同时，为了减少微操作的个数，QEMu使用了中间变量TO，TI，TZ。这样寄存器之间，或者寄存器与内存之间的操作被转化为寄存器与中间变量，中间变量与内存之间的操作，大大减少了QEMIJ必须提供的微操作的个数。同时将使用频率非常高的中间变量通过寄存器变量声明，映射到宿主寄存器上，显著提高了微操作执行速度。当宿主机是PPC架构上，QEMu将TO，TI，TZ分别映射到r24，:25，r26寄存器上。另外，QEMu使用CPusTArE结构体的一个变量env在内存中模拟了目标机器的寄存器状态。对于各个目标寄存器状态的引用即是相对于该变量基址的偏移。由上面的微操作可以看出，对于寄存器的操作是非常基本和频繁的，所以QEMU将*env的地址也存放在寄存器中，以加速对于目标寄存器的访问。对于PPC架构，env存放于r27寄存器中。QEMU正是非常巧妙的利用了这些优化措施，既实现了QEMU的高度可移植性，，同时最大程度的降低了翻译开销。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP368.1

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本文编号：2645344